ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП Российский патент 1998 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к группе устройств, известных как волоконно-оптические гироскопы, используемые для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, на которых гироскопы располагаются. В качестве таких объектов могут быть роботы, электрокары, автомобили, корабли, ракеты и т.д. Разработки ориентированных волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), работающих на эффекте Саньяка, которые используются для измерения угла поворота (ориентации) движущихся объектов, проводятся более двадцати лет. Главной задачей волоконной гироскопии сегодняшнего дня является создание цельноволоконного, технологически простого, компактного и дешевого ориентационного гироскопа средней чувствительности (в пределах 10 - 15 град/ч) и средней стабильности (дрейф выходного сигнала в пределах 30 - 50 град/ч).

В своем развитии волоконная гироскопия прошла путь от простых схем с одним светоделителем к более сложным схемам с двумя светоделителями и поляризаторами, обладающими большей чувствительностью и стабильностью. Однако создание на основе таких сложных схем дешевого компактного и полностью волоконного гироскопа среднего класса точности (с указанными выше чувствительностью и стабильностью) невозможно из-за дороговизны входящих в него элементов в волоконном исполнении и из-за сложности технологии сборки всего устройства в целом. Исследование физических причин нестабильности выходного сигнала ВОГ, проведенное авторами, позволило им на новом уровне понимания вернуться к простой схеме ВОГ с одним светоделителем, и поэтому отказ от простых схем в гироскопии представляется авторам неоправданным.

Известна конструкция волоконно-оптического гироскопа с одним дискретным (т. е. неволоконным) светоделителем в виде светоделительной пластинки (А.Н. Гурьянов и др. "Эффект Саньяка в волоконно-оптическом интерферометре". Письма в ЖЭТФ, т. 32, в. 3, стр. 240 - 243, 1980 г.). Эта конструкция ВОГ содержит лазерный источник излучения, волоконный контур и светоделитель, оптически связанный с источником излучения, волоконным контуром и фотоприемником, перед которым расположен поляризатор. С фотоприемника снимается сигнал интерференции встречных волн, прошедших по волоконному контуру, и несущий информацию о вращении этого контура, а вместе с ним и гироскопа. В этой конструкции из оптического волокна выполнен лишь волоконный контур, остальные элементы дискретные, и ввод излучения в концы волоконного контура осуществляется с помощью фокусирующих линз. Измеренная в данном гироскопе чувствительность при определении угловой скорости W, как указано на стр. 242, составляет 0,3 град/с (т. е. 1080 град/ч) при отношении сигнал/шум, равном 2, что является слишком низкой величиной для приборов среднего класса точности. Причинами такой низкой чувствительности в данной конструкции являются, по-видимому, во-первых, связь ортогонально поляризованных волн по вcей схеме гироскопа, а особенно в волоконном контуре, во-вторых, обратное когерентное рассеяние волн, связанное с лазерным источником излучения, и, в-третьих, сложная изрезанная интерференционная картина, представленная на рис. 2, стр. 242, обусловленная дискретностью схемы ВОГ. Все эти указанные причины могут привести к появлению паразитных интерференционных составляющих на выходе гироскопа в дополнение к полезному интерференционному сигналу, обусловленному вращением. Эти паразитные сигналы обуславливают дрейф выходного сигнала гироскопа и его низкую чувствительность.

Более высокой чувствительностью и стабильностью обладает гироскоп, в котором на пути излучения перед входом в концы волоконного контура введены поляризаторы для пропускания волн лишь с одной поляризацией и подавления волн с ортогональной поляризацией (пат. США 446157 М.кл. 4 G 01 C 19/64). Гироскоп данной конструкции содержит источник излучения, волоконный контур, два поляризатора и светоделитель, оптически связанный с источником излучения, с волоконным контуром через поляризаторы и с фотоприемником, с которого снимается сигнал интерференции встречных волн, являющийся выходным сигналом гироскопа. За счет использования двух поляризаторов на входе в волоконный контур в гироскопе данной конструкции уменьшена связь между ортогональными поляризационными каналами, что позволяет уменьшить дрейф выходного сигнала ВОГ и тем самым повысить стабильность и чувствительность прибора. Однако дискретность данной схемы, как и в предыдущей конструкции, приводит к изрезанности интерференционной картины, что обуславливает появление на выходе гироскопа паразитного сигнала и его дрейф. Цельноволоконное исполнение такой схемы могло бы устранить появление данного паразитного сигнала, но требует введения дорогостоящих волоконных поляризаторов и их взаимную юстировку. Это не только удорожает конструкцию, но и существенно усложняет технологию сборки, поэтому нецелесообразно.

Более простым по конструкции и более дешевым является ВОГ с волоконным контуром, выполненным из анизотропного волокна (заявка Японии N 63-46364, М. кл. , 4 G 01 C 19/64, публ. 1988 г.). Данный гироскоп содержит оптически связанные источник излучения, дискретный светоделитель и анизотропный волоконный контур. Светоделитель оптически связан также с фотоприемником, с которого снимается сигнал интерференции встречных волн. Для ввода излучения в концы волоконного контура, как и других дискретных схемах, установлены фокусирующие линзы. В данной конструкции излучение источника линейно поляризовано, что позволяет уменьшить связь волн с ортогональными поляризациями, которая является одной из основных причин дрейфа выходного сигнала ВОГ. Недостатком конструкции данного гироскопа является дискретность схемы, что приводит к изрезанности интерференционной картины и появлению по этой причине на выходе устройства паразитного сигнала, а также затрудняет выбор рабочей точки. Использование же в схеме источника когерентного излучения обуславливает наличие когерентного рассеянного излучения, что также может привести к появлению дополнительного сигнала.

Наибольшее количество общих элементов с предлагаемым гироскопом содержит волоконно-оптический измеритель угловой скорости по заявке 94028955, М.кл. G 01 C 19/72, публ. 1996 г., который выбран в качестве прототипа. Волоконно-оптический гироскоп - прототип содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель, волоконный деполяризатор, первый светоделитель из анизотропного волокна, поляризатор, выполненный из анизотропного волокна, второй светоделитель из анизотропного волокна и волоконный анизотропный контур, выполненный в виде катушки. Концы контура соединены с выходными концами второго светоделителя. Контур выполнен из анизотропного волокна. Свободные концы первого светоделителя соединены с волоконными концами фотоприемника. Все восемь элементов конструкции гироскопа соединены между собой посредством восьми сварочных узлов, указанных на блок-схеме прототипа.

Недостатки конструкции гироскопа-прототипа обусловлены большим количеством элементов схемы, что усложняет цельноволоконное изготовление такой конструкции. А наличие большого количества сварных узлов приводит к увеличению оптических потерь и коэффициента перекрестных связей, что не позволяет приблизиться к расчетным величинам чувствительности и дрейфа для данной схемы. Кроме того, необходимость большого количества сварных соединений не позволяет обеспечить технологичность сборки конструкции.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка компактной и дешевой конструкции ВОГ среднего класса точности, простой и технологичной в изготовлении.

Технический результат достигается тем, что разработанный ВОГ, так же как и ближайший аналог, содержит волоконный анизотропный контур и последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель, волоконный деполяризатор и светоделитель из анизотропного волокна, а также фотоприемник, оптически связанный со светоделителем.

Новым в разработанном ВОГ является то, что деполяризатор типа Лио установлен так, что оси анизотропии на выходе деполяризатора совпадают с осями анизотропии на входе светоделителя, а волоконный контур соединен со светоделителем так, что их оси анизотропии также совпадают, при этом светоделитель выполнен таким образом, что его потери не превышают 0,2 дБ.

Целесообразно при выполнении волоконного контура из анизотропного волокна светоделитель изготавливать из продолжения концов этого же волоконного контура, а деполяризатор типа Лио формировать из входного конца светоделителя и выполненного из анизотропного волокна выходного волоконного конца суперлюминесцентного диода, соединенных таким образом, что их оси анизотропии развернуты относительно друг друга на 45^o.

В другом частном случае, когда волоконный контур выполнен из дешевого изотропного волокна, анизотропию волоконного контура целесообразно создавать за счет наведенного двойного лучепреломления при намотке изотропного волокна с радиусом r на катушку с радиусом R, удовлетворяющим условию:

где
C₃ - 1,34 • 10⁶ рад/м, Δλ и λ - ширина линии и длина волны суперлюминесцентного источника излучения, L - длина волокна контура, намотанного на катушку.

Технический результат - компактность, технологичность и дешевизна разработанной конструкции достигается за счет использования принципиально другой схемы ВОГ с меньшим числом элементов (причем отсутствуют самые дорогостоящие и сложные для выполнения из волокна элементы схемы), а также за счет уменьшения числа сварных узлов от трех (в варианте по п. 3 формулы изобретения) до одного сварного узла (в варианте по п. 2), что существенно упрощает сборку конструкции, обеспечивая при этом достаточную чувствительность и стабильность.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого цельноволоконного гироскопа.

ВОГ содержит последовательно соединенный суперлюминесцентный излучатель 1 с выходным волоконным концом, волоконный деполяризатор 2 типа Лио, волоконный светоделитель 3 и волоконный анизотропный контур 4. Светоделитель 3 выполнен из анизотропного волокна и оптически связан с фотоприемником 5, с которого снимается сигнал интерференции встречных волн, распространяющихся по волоконному контуру 4. На одном из концов контура 4 расположен фазовый модулятор 6, который создает, как и во всех современных ВОГ, фазовую модуляцию встречных волн с разностью фаз, определяемой запаздыванием моментов прохождения модулятора встречными волнами. Деполяризатор 2 типа Лио сформирован из двух отрезков анизотропного волокна. В качестве первого отрезка может быть использован выходной волоконный конец суперлюминесцентного излучателя 1, а в качестве второго отрезка - входной конец светоделителя 3. Эти волоконные концы соединены таким образом, что их оси анизотропии развернуты относительно друг друга на 45^o. Длина первого отрезка деполяризатора 2 (выходного конца излучателя 1) выбирается такой, чтобы волны, прошедшие в нем по двум осям анизотропии, становились некогерентными, т.е. чтобы выполнялось условие l₁ > l_k = λ²/ΔλΔn , где Δn - разность показателей преломления ортогональных волн в волокне, Δλ - ширина полосы источника излучения. Длина l₂ второго отрезка деполяризатора 2 (входного конца светоделителя 3) выбирается при этом такой, чтобы превышала длину первого отрезка не менее чем в два раза. Выходные концы светоделителя 3 соединены с концами волоконного контура 4 таким образом, что их оси анизотропии совпадают. Фазовый модулятор 6 может быть выполнен из нескольких десятков метров волокна контура 4, намотанного на пьезоцилиндр.

Волоконный контур 4 может быть выполнен из изотропного волокна, при этом анизотропия контура 4 создается за счет наведенного двойного лучепреломления, достигаемого при намотке изотропного волокна радиуса r на катушку с радиусом R, удовлетворяющим условию:
При этом контур 4 соединен со светоделителем 3 таким образом, что наведенные оси анизотропии на концах контура 4 совпадают с осями анизотропии выходных концов светоделителя 3. При таком выполнении контура 4 минимальное число сварных соединений волокна в гироскопе равно трем.

Контур 4 может быть выполнен также и из анизотропного волокна. В этом случае число сварных соединений волокна в гироскопе может быть сведено к одному. При этом светоделитель 3 изготавливается из концов волокна контура 4, а деполяризатор 2 формируется, как и в предыдущем случае, из продолжения входного конца светоделителя 3 и анизотропного волокна выходного конца излучателя 1.

В примере конкретной реализации в качестве суперлюминесцентного излучателя 1 используется суперлюминесцентный диод ЛМ-850. В качестве анизотропного волокна для изготовления контура 4 с модулятором 6, светоделителя 3 и деполяризатора 2 используется оптические волокно типа PANDA. Основа фазового модулятора 6 - пьезокерамический цилиндр - выполнен из пьезоэлектрика типа ЦТБС-1. На внешнюю и внутреннюю стороны пьезокерамического цилиндра вжигания нанесено проводящее покрытие, к которому подсоединены проводники для подачи переменного напряжения, с помощью которого осуществляется фазовая модуляция. В качестве фотоприемника 5 использован фотодиод ФД-1690. Волоконный контур 4 изготовлен из волокна типа PANDA длиной L = 500 м, которое намотано на катушку с радиусом R = 3 см. Из продолжения концов контура 4 изготовлен X - светоделитель с потерями менее 0,2 дБ. Один входной конец светоделителя 3 соединен с выходным волоконным концом излучателя 1, а другой входной конец светоделителя 3 оптически связан с фотоприемником 5. Данная цельноволоконная конструкция гироскопа имеет одно сварное соединение.

Предлагаемый волоконный гироскоп работает следующим образом.

Частично поляризованное широкополосное излучение суперлюминесцентного излучателя 1, проходя через его выходной волоконный конец, который одновременно является первым отрезком деполяризатора 2, разделяется в нем на две компоненты с ортогональными поляризациями, которые на выходе этого отрезка становятся некоррелированными. Поскольку второй отрезок деполяризатора 2, сформированный из продолжения входного конца светоделителя 3, состыкован с выходным волоконным концом излучателя 1 таким образом, что их оси анизотропии развернуты на 45^o, то на выходе деполяризатора 2 (т.е. на входе светоделителя 3) излучение по двум ортогональным осям оказывается некоррелированным и равной интенсивности. Благодаря тому что оси анизотропии деполяризатора 2 и делителя 3 съюстированы, обе ортогональные компоненты проходят в светоделитель 3, оставаясь равными и некоррелированными. Каждая из этих компонент светоделителя 3 делится по мощности пополам и направляется во встречных направлениях в концы волоконного контура 4, оси анизотропии которого съюстированы с осями светоделителя 3. Благодаря этой юстировке некоррелированность и равенство интенсивностей указанных компонент сохраняется при их прохождении контура 4 и светоделителя 3 в обратном направлении. На выходе светоделителя 3 ортогональные компоненты встречных волн, прошедшие контур 4, остаются некоррелированными, а в каждой из ортогональных осей происходит интерференция встречных волн одной из независимых ортогональных поляризаций. Каждый интерференционный сигнал несет искомую информацию о невзаимной фазе, которая возникает при вращении контура 4. Сигналы интерференции через входной конец светоделителя 3 поступают на фотоприемник 5, где суммируются. Таким образом, в одном гироскопе реализуются два независимых гироскопических канала, каждый для компоненты излучения со своей поляризацией. Тем самым исключаются условия для возникновения паразитного сигнала, обусловленного взаимодействием ортогональных компонент. Следует отметить, что интерференционный сигнал наряду с информацией о невзаимной фазе содержит так же, как и во всех конструкциях с одним светоделителем, информацию о дополнительной разности фаз при отражении и прохождении светоделителя 3. Этот дополнительный сигнал стремится к нулю при уменьшении потерь в светоделителе 3.

Гироскоп предназначен для измерения скорости вращения или угла поворота объектов, например роботов, электрокар, автомобилей, кораблей, самолетов, ракет и т. д. Гироскоп содержит последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель с выходным волоконным концом, волоконный деполяризатор типа Лио, волоконный светоделитель и волоконный анизотропный контур. Деполяризатор состоит из двух отрезков анизотропного волокна. Светоделитель выполнен из анизотропного волокна и оптически связан с фотоприемником, с которого снимается выходной сигнал. В качестве первого отрезка деполяризатора использован волоконный конец излучателя, а в качестве его второго отрезка - входной конец светоделителя. Выходные концы светоделителя соединены с концами волоконного контура таким образом, что их оси анизотропии совпадают. Гироскоп представляет собой компактную конструкцию среднего класса точности, простую и технологичную в изготовлении. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Волоконно-оптический гироскоп, содержащий волоконный анизотропный контур и последовательно соединенные суперлюминесцентный излучатель, волоконный деполяризатор и светоделитель из анизотропного волокна, а также фотоприемник, оптически связанный со светоделителем, отличающийся тем, что деполяризатор типа Лио установлен так, что оси анизотропии на выходе деполяризатора совпадают с осями анизотропии на входе светоделителя, а волоконный контур соединен со светоделителем так, что их оси анизотропии также совпадают, при этом светоделитель выполнен таким образом, что его потери не превышают 0,2 дБ. 2. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что волоконный контур выполнен из анизотропного волокна, светоделитель изготовлен из концов этого контура, а деполяризатор типа Лио сформирован из входного конца светоделителя и выполненного из анизотропного волокна выходного конца суперлюминесцентного излучателя. 3. Гипоскоп по п.1, отличающийся тем, что волоконный контур выполнен из изотропного волокна, а анизотропия волоконного контура достигается за счет наведенного двойного лучепреломления при намотке изотропного волокна с радиусом r на катушку с радиусом R, удовлетворяющим соотношению
где константа c₃ = 1,34•10⁶ рад/м;
Δλ и λ - ширина линии и длина волны излучения суперлюминесцентного излучателя;
L - длина волокна контура, намотанного на катушку, при этом волоконный контур соединен со светоделителем таким образом, что эти наведенные оси анизотропии на обоих концах контура совпадают с осями анизотропии светоделителя.